[硕士论文精品]射频预失真功率放大系统设计与实现

射频预失真功率放大系统设计与实现摘要无线通信的发展对射频发射系统尤其是射频功率放大器的线性化提出了更高的要求。对于射频大功率放大器结构和系统的设计方法，国内国外各大通信公司和高校在这方面都在着手进行研究与开发。本文所讨论的射频预失真放大系统的设计正是为更好的实现射频大功率放大器的线性化而进行研制和开发，特别是针对WCDMA基站中的应用。本课题首先通过分析和论证，阐明了设计预失真功放系统的意义，并比较多种主流线性化技术的结构和优缺点，然后根据WCDMA标准要求和功放的指标，提出射频预失真放大系统的设计方案，其目标是通过制作一个完整的射频预失真线性化实现系统，完成对射频功率放大器的自适应线性化和相关器件的研究。经过仔细的器件选型和系统分析，完成整个系统原理图的设计，之后进行PCB制板。最后给出了系统测试方案。关键词射频预失真线性化自适应预失真系统数模混合电路DESIGNANDREALIZATIONOFTHERFPREDISTORTIONPOWERAMPLINERSYSTEMABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONS，THEDESIGNOFTHERFTRANSMITSYSTEMESPECIALLYRFHIGHPOWERAMPLIFIERLINEARIZATIONAREMOREANDMOREDIFFICULTYMANYDOMESTICANDFOREIGNCOMPANIESANDUNIVERSITIESAREMAKINGRESEARCHONTHEARCHITECTUREANDSYSTEMOFRFPOWERAMPLIFIERTHEDESIGNOFTHERFPREDISTORTIONAMPLIFYSYSTEMDISCUSSEDINTHISPAPERISUSEDFORBETTERREALIZETHELINEARIZATIONOFTHERFHIGHPOWERAMPLIFIER,ESPECIALLYFORTHEAPPLICATIONOFWCDMABASESTATIONTHROUGHANALYSISANDARGUMENT，THISPAPERILLUSTRATESTHESIGNIFICATIONOFDESIGNINGPREDISTORTIONPOWERAMPLIFIERSYSTEM，ANDCOMPARESTHEARCHITECTUREANDDOMINANCEOFVARIOUSLEADINGLINEARIZATIONTECHNOLOGIES，THENBASEDONTHEREQUIREMENTOFWCDMASTANDARDSANDPOWERAMPLIFIERINDEX，PUTSFORWARDTOAFEASIBLEARCHITECTUREOFRFPREDISTORTIONAMPLIFYSYSTEMTHROUGHMAENGACOMPLETESYSTEMFORRFPREDISTORTIONLINEARIZATION，REALIZETHEADAPTIVELINEARIZATIONRESEARCHOFRFPOWERAMPLIFIERAFTERSERIOUSLYDEVICESSELECTIONANDSYSTEMANALYSIS，THISPAPERFINISHESTHEDESIGNOFSYSTEMPRINCIPLEDIAGRAMANDMAKESTHEPCBBOARDTHETESTSCHEMEISBROUGHTOUTINTHELASTPARTOFTHISPAPERKEYWORDSRFPREDISTORTIONLINEARIZATIONADAPTIVEPREDISTORTIONSYSTEMANALOGDIGITALMIXEDSIGNALCIRCUIT独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名查避日期趔8幺上一关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名到继导师签名EL期丝星丝上日期垄堕生兰北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现11研究背景及意义第一章引言随着历史的巨轮不断的推进，无线通信技术和电子技术在过去的近十年中以惊人的速度蓬勃发展着，不仅改变了人们的通信方式，还从某种程度上改变了人们的生活方式。如今，无线通信已经成为人们生产和生活中必不可少的一部分，并且作为信息产业的一个重要部分，发挥着不可替代的作用，成为社会经济飞速发展的强劲推动力。第一代移动通信系统采用模拟制式，无线传输中的信号调制方式是恒定包络的，第二代移动通信主要技术之一的GSM，采用GMSK调制方式，也是具有恒定包络的调制信号，恒定包络调制技术的一个优点在于这类信号对功率放大器线性度的要求不是那么严格，但其最大缺陷，就是其频带资源的利用效率低。随着社会的发展，对现代通信提出了更高的要求，特别是第三代移动通信技术，其核心业务不再局限于语音、图像，而是更高要求的多媒体业务。这就要求通信系统的容量不断扩大，信息的可靠性和安全性不断提高，致使通信频段越来越拥挤。频带资源越来越紧张，为了改变这种局面，实现更高的频谱利用密度和更广泛的信道空间分配，人们采用了许多新的宽带数字传输技术如OFDM、MCCDMA和WCDMA等和高频谱效率的调制方式如QPSK和MQAM等111，。这些高效的数字调制传输技术与前两代的通信技术的关键不同在于这些几乎都是基于非恒定包络的。一直以来，在移动通信系统中，对邻信道干扰的要求是非常严格的。通常要求基站输出的已调信号在邻信道的辐射功率带外发射功率与所需功率之比应低于60DB，即与带内信号功率相比，带外发射功率应小于60DB到70DB。为了避免对WLAN的干扰，3GWCDMA规范要求带外辐射信号在2200BFLLZ以上频带内小于一40DBC100KHZT21。对于早期采用FMFREQUENCYMODULATION、MSKMINIMUMSHIFTKEYING等恒包络调制方式的无线通信系统，可以采用滤波技术来消除谐波干扰。然而对于非恒包络的调制技术，滤波并不能消除互调产物，如果将其直接作为功率放大器的输入信号，必将产生非常严重的互调失真，使得功率放大器输出信号频谱扩展，产生对邻信道的干扰，因此提高发射系统，特别是系统中射频功率放大器的线性度就成为现代射频系统构建的关键。北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现12WCDMA系统概要UMTS包括有国际电信联盟ITU指定的两个空中接口协议，这两个协议都是满足国际移动通信IMT2000要求的建议方案，且都采用直接序列宽带CDMADSWCDMA。一个解决方案用频分复用FDD技术，而另一个则采用时分复用TDD技术。第三代合作伙伴项目3GPP分析这些提议的技术的结果是，WCDMA成为了3G系统最倾向于采用的技术。3GPP技术规范中的25101章包括了WCDMA移动终端RF硬件部分的核心性能要求。另外，3GPP还定义了WCDMA终端两种可选择的工作模式频分复用模式FDD与时分复用模式TOOL。3GPP规范了FDD终端使用仅60MHZ带宽，双工间隔为190MHZ2110MHZ2170MH_Z用于移动RX，1920MHZ1980MHZ用于移动TX。在FDD方案中，在上行和下行链路中用的是5MHZ带宽的载波，而且上行链路分配的频段为19201980MHZ，下行链路分配的频段为21102170MHZ。这样，用FDD方式的工作模式运行时，上行链路和下行链路之间就有190MHZ的频率间隔。尽管5MIIZ是正常的载波间隔，但在载波间隔44MHZ一5MHZ之间的频带间隙中可有几个200KHZ的间隔。这些间隔可以用来避免相邻信道之间产生相互干扰，尤其是当下一个5MHZ宽带分配做其它载波时。对于TDD方案，确定的频率包括19001920MHZ和201啦2025MHZ。当然，对于TDD，一个确定的载波要同时用于上行链路和下行链路，因此也就没有载波问隔的存在。按照3GPP标准TS25104，在欧洲和亚洲的大多数地区，为WCDMAFDD分配的是19201980MHZ和21102170MHZ带宽。实际的带宽为4096MLLZ，码片速率为384MCHIPS，一般的频道间隔选择为5MHZ，但是可以根据需要进行调整，中心频率可以以200KHZ为最小单位进行调整。WCDMA的载频频率信道号称为绝对无线频率信道序号UARFCN。13射频功率放大器线性化技术发展现状功率放大器的线性化技术研究始于到上个世纪二十年代。美国人HAROLDSBLACK通过在放大器设计中应用前馈和负反馈技术【州，从而有效地减少了放大器失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。第2代移动通信系统GSM采用的高斯最小频移键控GMSK调制方式，允许采2北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现用具有极高效率的非线性功率放大器，功率放大级可以进入压缩状态。因此，GSM基站中功率放大器通常具有较高的效率。第25代移动通信系统GSMEDGE采用更高带宽效率的3兀8OFFSET8PSK调制技术来实现三倍于GSM的数据传输率。由于这种调制技术不具有恒定包络，因此出于成本和复杂性考虑，EDGE基站中功率放大器一般采用功率回退技术来满足GSM标准线性要求。第3代和第4代移动通信采用宽带高频谱利用率的数字多电平线性调制技术，这些调制技术产生的信号具有相当大的包络变化，同时支持多载波发射，此时简单的功率回退技术已经不可能满足这些新的要求，射频功率放大器线性度成了主要问题，因此必须采用复杂的线性化技术如自适应前馈、自适应预失真等。由上述无线通信系统和基站功放的发展可以看出，射频功率放大器作为无线通信系统最为关键的组件之一，其线性度与功率效率由于对于系统的效能与效率有决定性的影响，故随着无线通信系统的发展在不同时期有着不同的技术要求，并且要求越来越严格。近年来国外大的通信公司与研究单位和高校都积极投入到功率放大器线性化技术的研究中，并且有各种线性化技术及产品的成功实现，国内一些大型通信设备提供商和高校也在积极开展这方面的研究工作并取得不少成果15锕，但无线通信的快速发展不断地对线性化技术提出了更高的要求，需要我们不断的进行积极深入研究。14主要工作本论文计划采用技术路线及实施方案，并对其的应用前景作了预测。主要工作有如下几方面A研究WCDMA系统的基本原理。详细介绍WCDMA收发系统的特点。分析常用的RF功率放大器的线性化技术及各自特点。重点研究预失真技术，包括射频预失真和基带预失真的基本原理，并阐述了自适应法的基本原理。B详细介绍本课题射频预失真放大系统方案的基本设计原理、实现方法，拟采用数字信号处理DSP为代表的数字电路技术与射频模拟电路相结合，实现自适应线性化，以改善功率放大器的线性度，满足工程需要。C在实施过程中，准备首先对各射频模块进行认真的设计，对其选用的器件进行仔细的筛选和比较，尽量使用现有的成熟稳定的器件，以达到既保证质量又节约成本的目的。对于一些数字逻辑电路，则先通过仿真软件进行仿真分析，然后进行调试和完善。3北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现D设计完成后，对设计的原理图进行PCB布板，采用各模块逐一布局的方式，对于布线中会出现的问题加以慎重考虑，对于电源层和地层的分割，根据电路和器件的位置进行仔细划分，最后完成制板工作并给出系统的测试方案。15论文基本架构论文的基本架构如下第一章引言简述本论文研究背景和研究意义，引入本课题所基于的环境WCDMA系统，介绍其概要和射频指标，在此基础上介绍了射频预失真功率放大器的发展现状，以阐明射频预失真功放设计的必要性，最后说明了主要工作和论文基本架构安排。第二章功率放大器线性化技术针对本课题的研究目标，着重分析了当前功率放大器线性化的三种主流技术，并比较其各自优缺点，阐明射频预失真的可行性。另外介绍了自适应基本原理。第三章射频预失真放大系统概述从这章开始进入论文主体部分，先阐述了本射频预失真放大系统设计的目标和意义，给出了系统设计目标的基本考虑并简单介绍了系统的测试项目。之后总述了放大系统的结构和功能，列出系统的指标。第四章射频预失真放大系统设计根据技术指标要求设计出射频预失真放大系统的总体方案，分射频、模拟和数字三部分，详细介绍了设计目标、步骤、器件选型依据和原理图方案。最后对整个系统电源部分的设计进行了说明。第五章系统电路硬件实现与测试对射频预失真放大系统进行PCB制板，阐述了制板原则，研究了制板中会遇到的一些问题，介绍了系统板图设计情况，给出系统的实物照片。最后设计系统测试方案。第五章结论及展望对整个设计进行总结，并给出工作展望。4北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现第二章功率放大器线性化技术射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。线性化技术，即采用适当的外围电路，对放大器的非线性特性进行线性化纠正，从而在电路整体上呈现对输入信号的线性放大效果。对放大器进行线性化的方法很多，而主要的方法有负反馈法、前馈法、EER法包络消除与恢复法、LINC法非线性器件的线性放大法和预失真法等【。理论上，前馈能够消除二阶和三阶非线性，并且稳定性比较好。但是，前馈线性化器的实际实现比较困难，因为前馈环中需要精确的相位平衡及幅度补偿。负反馈比较简单，也很稳定，但在高频反馈中，反馈环路的相移很难控制。预失真在功率放大器的线性化中是成本较低的一种选择，其最主要的优点是预失真的频带较宽，电路相对比较简单。通过简单的预失真电路，使功率放大器输出功率提高，从而提高通信系统的信息处理能力及微波电视发射机系统的发射能力，带来更大的经济效益。而使用非线性器件的线性放大技术LINC和动态偏置技术等特殊的线性化技术基本没有广泛应用到无线和微波通信中。下面对提到的三种主要线性化技术进行简单地介绍。21负反馈技术负反馈法是改善放大器线性度的一种较早的方法，在线性化系统中，负反馈对失真也有很好的抑制作用。负反馈法是将放大器的非线性失真信号反馈到输入端，与原输入信号一起作为功放的输入信号，以减少功率放大器的非线性的一种方法。负反馈系统基本框图如图21所示，反馈增益表达式为,4W,4O,4B，保证是负反馈的条件是AB为正数，其中，A为放大器的开环增益，8为反馈系数。通常情况下，ALL远远大于1，这时放大器的反馈增益仅依赖于反馈网络的反馈系数，而与放大器的开环增益无关，反馈网络可由高准确度的线性无源元件构成。从功放线性化的角度考虑，负反馈系统是牺牲功放增益来达到压缩失真信号的目的。5北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现反馈网络图21负反馈原理图负反馈法可以控制功放输入输出阻抗，减小噪声的影响，减小功放对电路元件特性变化的敏感性，通常是温度变化的敏感性。由于基于反馈原理，负反馈法受反馈网络延迟的限制，带宽有限，这种技术使得放大器带宽很窄，不适合宽频带放大。若相位控制不好，容易产生正反馈而引起不稳定，因此稳定性问题是其主要缺点。当系统频率较高时，必须减小环路增益，否则系统的稳定性则很难保证。但减小环路增益又影响到失真的抑制。为了使系统工作在低频状态，一般不采用直接的RF反馈，而是采用调制反馈技术。利用负反馈改善放大器线性的方法很多，常用的反馈方式有包络负反馈1121，极坐标负反馈113L、笛卡尔负反例1鲫。不同反馈系统的复杂度相差很大，主要区别是反馈信号取得的方式不同。包络负反馈技术是极坐标负反馈的一种简化技术，不考虑相位负反馈因而系统相对简单。它能够减小幅度非线性引起的失真，它既可以应用到发射机中也可以应用到单个放大器中。耦合器抽样射频输入信号，检测输入抽样的包络。然后产生的包络反馈到差分放大器的一个输入端口上，并和射频输出抽样相减。代表输入输出信号包络误差的差分信号被用于驱动主射频路径上的调制器上，该调制器改变射频信号的包络并输入到射频功率放大器。因此，产生输出信号的包络能够被线性化，其线性化程度由反馈处理环路增益所决定。极坐标负反馈可以达到较好的互调抑制性能，但是系统相对于比较复杂。克服了包络反馈的不稳定，通过将锁相环增加到包络反馈系统达到纠正伽M失真的目的。包络检测和相位比较通常在中频进行。这种技术其包络带宽至少是射频带宽的两倍，相位带宽至少是射频带宽的十倍。笛卡尔反馈技术相对于极坐标反馈结构易于实现并且利用DSP技术使得互调失真得到极大改善，其通过采用L和Q路笛卡尔的调制反馈，克服了信号相位引起宽带宽所涉及的问题。由于I、Q分量是现代DSP的实际输出信号，因此，笛卡尔环广泛应用到移动射频系统中。在C类功放放大一个IS136DAMPS信号，采用笛卡尔反馈能够改善ACPR达到35DB，而效率能达到60。6北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现22前馈技术早在20世纪20年代，贝尔室验室的HSBLACK就提出了减小放大器失真的两种方法前馈【19261和负反馈。由于前馈技术的缺点是要求两路信号通路的幅度和相位特性完全匹配，所以最简单的前馈系统也远比负反馈系统复杂，导致在接下来的几十年中负反馈技术得到广泛应用，而前馈技术遭到冷落。后来，到1960年，贝尔实验室的SEIDEL和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延，它受条件稳定和抑制互调失真有限等限制，他们才开始研究前馈在放大器中的用途。目前，前馈技术已经成为一种主要的线性化技术，在宽带和多载波系统中得到广泛应用127291。前馈线性放大器由两个放大器主放大器和误差放大器，通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路，其中一个为由幅度和移相网络组成的环路控制网络。射频信号输入后，经功分器分成两路，其中一路到高功率主放大器，另一路到延迟单元。主放大器输出信号包括理想信号和失真，这个信号被抽样、衰减，然后和经延迟后的输入信号合成，这个过程称为误差消除过程。产生的误差信号仅仅包含主放大器输出的误差信号。然后这个误差信号被低功率、高线性的误差放大器所放大，再和延迟后的主放大器输出合成。第二次合成消除了主放大器的失真分量，而仅仅留下理想的信号，从而了改善功放的线性度。图22为前馈线性化原理图。信号抵消环失真抵消环图22前馈线性化原理图前馈线性化技术能够提供了较高校准精度的线性度，又不存在不稳定和带宽受限这些缺点，但有比较差的效率和较高的成本，同时它受限于复杂而昂贵、性能较难控制模拟器件，要求辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，由于前馈7北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现技术固有的开环处理进程，随时间、温度、电压和信号电平而变化的器件特性及器件老化等均会造成抵消失灵，增加了发射输出的失真。另外在末级大功率合路器处构成自适应环路具有一定的技术难度，所以一般在功率合成级不便采用自适应技术。此外，该方法效率低而且设备很复杂。23预失真技术预失真是目前补偿功率放大器非线性最好的技术之一。其基本思想是通过在输入信号和PA之间插入产生“反向PA特性响应的预失真模块PD对输入信号先进行预处理再馈入PA中以补偿由非线性PA产生的AMAM、AMPM失真，最终使整个PD和PA级联电路的输入输出呈现线性关系。这种技术的实质就是预先使放大器的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器内的非线性失真。预失真线性化原理框图如图23所示，其实现机理如图24所示。图中，瞰为预失真模块的传递函数。G为功率放大器传递函数，AFFX为预失真系统总的输入输出传递函数。预失真函数与功率放大器的传输函数呈反相关系，即功率放大器的失真特性为增益压缩时，预失真器的失真特性应该是增益扩张。K。夕L只K、少，R，_图23预失真线性化原理框图K预失真模块传递函数功率放大器传递函数K预失真系统传递函数图24预失真技术实现机理预失真技术的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。根据预失真处理信号的频段不同，可以把预失真技术分为射频预8北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现失真和基带预失真两种基本类型射频预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。23I射频预失真技术射频预失真在微波频段实现，直接处理射频已调信号。优点是具有电路结构简单、电源效率高、成本低、易于高频、宽带应用，是目前较有发展前途的一种方法30361。射频预失真实现原理图见图25，其工作原理是预失真模块的复数增益调制器根据工作函数的输出参数调整RF输入信号的幅度和相位，预失真处理后的信号馈入功率放大器。输入信号的包络作为工作函数的输入变量，反馈回路采用边带带通滤波器对需要抑制的频谱邻道频率取样，并借助DSP算法调整工作函数的输出参数最终使得功率放大器输出邻道功率最小。图25RF预失真实现原理图射频预失真通常采用工作函数、查询表LUT和模拟器件等三种方式实现。工作函数使用低阶多项式来拟合功率放大器的AMAM和AMPM特性；查询表技术对于功率放大器特性的拟合具有更高准确性，但需要复杂的自适应算法；模拟器件预失真一般采用二极管预先生成互调失真分量IMD，此IMD正好与功率放大器所生成的IMD成反相关系，达到抵消功放输出IMD的目的。9北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现232基带预失真技术基带预失真由于不涉及难度大的射频信号处理，只在低频部分利用数字信号处理器RDSP技术对放大器输出反馈的基带信号数据进行计算、处理，用软件来实现非线性补偿，适应性强，而且可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真【37451。基带预失真线性化系统框图见图26所示。主要包含两条路径一条为信号路径，一条为控制路径。信号路径中预失真器首先对基带输入信号进行预失真，输出信号经DA转换成模拟信号，再通过正交调制上载频至无线频率，最后到功率放大器。控制路径主要用于预失真器的自适应调整，使得预失真器的输出能完全补偿PA产生的非线性失真。图中，已调射频信号均以其基带复包络的形式表示。数字域的信号变换过程全部由数字信号处理器软件完成。输入端的信号经过AD变换后得到数字域中的等价信号，记为，对其进行预失真DSP信号处理之后，得到数字域中的预失真信号，记为，在经过DA变换后输出预失真信号，此预失真信号通过线性调制器正交调制器调制到载频上并进行功率放大，功放PA的输出信号记为K。K送往天线输出，其中的D,部分输出功率通过耦合器送往线性解调器正交解调器，解调器经过AD变换后得到的反馈信号记为此信号用于提供给误差比较模块和自适应算法模块作为参考信号，从而决定正确的预失真特性。I图26基带预失真电路框图定义误差函数为E珞A，其中A为期望的解调信号波形，A为常数，表示系统的线性增益。当误差为零时，预失真线性化系统达到理想的收敛状态。解调信号所将与的波形相同，只是在幅度上相差常数增益。由于功率放大器的非线性特性主要由输入信号的幅度IVOL决M，与输入信号的相角ARGVD几乎无关，所以其增益函数可以等价为输入信号幅度的复值函数。10北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现表征预失真其特性的预失真函数雕即预失真器的增益可用如下的数学形式表示F邑一EXEXPFO以式21其中以一IE12，为输入信号的幅度的平方；，和P分别表示模值和相角。设放大器的复增益为G局G，蜀EXPJA,蜀式22其中X。忆12则功放的输出信号模值和相角分别为KI一阢I掌ORIV“毒C瞻12J2式23鹕圪OO1IVIEI屹12|2磊IL以卜CI圪1212鹕屹式2。4对幅度而言，系统收敛时必须满足G，工1A，其中A为常数；对相位而言，系统收敛时必须满足QZEX一O。系统自适应的目标是，选择最优的复增益函数，佩，使得系统的增益为一R线性常数A，即圪，屹幸FK12事GK，畋1212彳屹式25，理论分析表明，采用数字基带预失真线性化技术对微波功率放大器进行线性化补偿，可以大大提高微波功率放大器的线性度，从而达到减DX、三次谐波和互调分量的目的。因此，数字预失真线性化技术不失为一种L珂功率放大器线性化技术的新方法，完全有可能满足现代通信信号电磁环境对谐波和互调失真的技术指标要求。基带预失真技术从原理框图上来看，和调制反馈线性化技术有一定的相似性，都存在反馈回路，但它和反馈线性化存在根本的不同。反馈线性化是信号的实时反馈，反馈信号直接影响放大器的输出，因此存在稳定性问题。而基带顶失真的反馈，是对输出输入信号的采样进行比较，然后通过自适应算法进行运算，当算法收敛后才周期性改变预失真器的输出，反馈控制行为是非实时的，反馈信号小不会直接影响放大器的输出，因此不存在稳定性问题。24线性化技术的比较在各种线性化技术中，前馈线性化同时能够提供宽带宽和良好的互调失真压缩，但是具有较差的效率，加入提高性能的自适应技术会使它成为复杂而昂贵的北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现解决方案。负反馈方法具有不稳定和带宽受限的严重问题，比如笛卡尔负反馈尽管复杂度不高也能提供合适的互调失真压缩，但稳定性限制了带宽仅仅在几百KHZ。LINC系统对器件漂移比较敏感。预失真技术能够提供稳定、高效、宽带宽与自适应等优势。预失真系统的射频预失真系统具有结构简单、成本低和线性度较好和带宽适中等优点，然而，和前馈技术一样，射频预失真的工作带宽受限于预失真器本身和射频功率放大器的增益和相位平坦度，另外，功率放大器和预失真器的记忆效应限制了消除的程度。基带预失真技术显得更为复杂，但这种技术提供了更好的互调失真压缩和自适应性能，。由以上分析，在各种线性化技术中，基带预失真是性价比较高的一种，这种预失真结构使用少量的模拟器件，其高效性不依赖于系统的工作频率，且自适应技术能容易地应用到基带预失真结构中。射频预失真抵消性能较低主要受放大器记忆效应的限制所致，如果配合采用记忆效应最小化设计方法，则其抵消性能可以大幅提高。预失真由于功放本身的记忆效应使得带宽和改善量都受到影响。记忆效应又可以分成热记忆效应和电记忆效应两种，在实际线性化补偿时需要加以考虑，以及由于依赖环境线性度变化的问题。因此，自适应控制方法在改善预失真功放性能方面是需要的。25自适应技术251基本原理现代通信系统采用的都是多载波信号进行通信，信号的峰均比变化很大，一般在3DB10DB之间，多载波和峰均比的信号对于功率放大器的非线性特性是非常敏感的峰均比大，说明功率放大器会工作在更深的饱和区强非线性区，这样就会产生功率电平更高的互调失真产物；而多载波通信方式则会产生更丰富的互调失真产物。因此，在现代通信的体制下要使得功率放大器有良好的线性性能，又要保证放大器的效率没有下降。此外功率放大器的特性会随环境温度、供电电压、器件老化、信道切换发生改变，导致通信系统性能下降。为保证预失真系统的稳定工作，要求预失真模块的补偿特性具有随功率放大器特性变化而自适应调节的能力。既能够灵活地对功率放大器进行线性化，又能够较好的解决放大器系统的稳定性问题，同时还要保证具有较高的非线性性能改善程度，自适应线性化技术随之出现。该技术能够随着上述诸因素的变化作自适应的补偿。显然，要实现自适应的补偿就要求系统具有记忆功能即存储功能和自适应算法。随12北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现着DSP技术的飞速发展，其能够快速完成各种运算量较大、复杂的算法，同时也能提供大容量的存储空间。因此，采用自适应线性化技术能够有效的改善功率放大器的非线性性能，满足许多现代通信的高指标要求。运用DSP技术，必须把射频信号下变频到基带信号，然后经过A，D变换器把模拟信号变换成数字信号，通过DSP处理后再经DA和上变频处理，把信号恢复为射频信号。DSP芯片中的算法能够提供动态的或自适应的线性化功能。随着各种性能优良的数字信号处理算法的涌现，特别是DSP技术的飞速发展，其处理的功能越来越强大，体积越来越小，而价格却越来越低廉，使得自适应线性化技术成为一种前景倍受人们看好的方法。前面小节所介绍的模拟线性化技术，如负反馈法，前馈法和预失真法等，采用自适应算法后，功率放大器的线性性能均得到明显的提高，系统的稳定性问题也得到较好的解决。而且自适应线性化技术也适用于宽带信号的系统，这对采用扩频通信的现代通信系统来说是很有意义的。252自适应预失真自适应预失真线性化方法属于预失真方法的一种，也即它是在预失真线性化的基础上加入了自适应技术而形成的一种综合性的线性化方法。由于功率放大器的特性在实际工作环境下会随温度、供电电压、器件老化、信道切换的原因发生改变，因此为保证功率放大器的稳定工作，就要求预失真模块具有随功率放大器的非线性特性改变而自动调节自身响应特性的功能，即实现预失真模块的自适应功能。自适应预失真线性化技术的实现方法有很岁饿W71，主要有三类，第一类是复增益映射查询表技术；第二类是复增益查询表技术；第三类是多项式技术。复增益映射查询表采用二维表形式，可以达到非常好的性能，主要缺点是二维表太大需要几兆比特的存储空间，自适应过程太长。复增益查询表采用一维表方式，使用一个笛卡尔形式的复增益表，其基本步骤都是将放大器的输入功率或幅度等作为查询表的索引指针，功率放大器的复增益预调整值作为指针对应内容。复增益查询表相对复增益映射查询表极大减小了存储空间，因此只需要较少的运算就可对输入信号进行预失真。查询表技术可用来拟合任何形式的增益，性能可通过增加或减少表尺寸来调节，缺点是在低输入功率时性能有所下降并且实现上较困难，一般在基带预失真系统中较多采用。多项式技术主要是采用多项式方程来拟合理想的复增益曲线，通过计算的方法来求出输入信号需要预失真的复增益值，来达到预失真线性化的目的。此方式13北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现只有很少参数，参数的初始化和更新都较查询表方式宣于实现，因此在射频预失真系统中普遍采用多项式拟和方式。本课题所设计的放大系统即采用这种自适应技术与射频预失真相结合的方法实现对功率放大器的线性化。26本章小结本章分析了当前功率放大器线性化采用的各种技术，对于预失真技术做了详细阐述，然后对这些技术做了比较分析，最后对自适应技术的基本原理和自适应预失真做了介绍。14北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现第三章射频预失真放大系统概述31射频预失真放大系统设计目标和意义前两章分别概述了射频功率放大器线性化技术的发展现状以及当前发展成熟的线性化关键技术等问题，从本章起将进入论文的主体部分，构建一个用于完成功率放大器线性化的射频预失真放大系统，结合系统本身的技术指标，对当前芯片硬件的性能水平、射频预失真放大系统部分结构模块机器功能进行综合分析和研究。射频预失真功率放大系统的设计目标是设计制作一个完整的射频预失真线性化实现系统，利用该系统完成对射频功率放大器的自适应线性化和相关器件的研究。其关键技术包括系统架构的设计、各类器件的选型和系统原理图以及硬件电路的实现。311设计射频预失真放大系统的意义功放线性化技术是顺应了实际需求而发展起来的，既要满足高速复杂数字调制技术的要求，又要满足大容量、低成本的要求。在移动通信系统中，为保证一定范围的信号覆盖，我们通常使用功率放大器进行信号放大。在CDMA或WCDMA基站中，即使是单载频，也需要采用线性功放，这是因为CDMA技术是随机包络的宽带信道，如果采用一般的大功率放大器通常工作于AB类，将由于互调失真的影响产生频谱再生效应，有趣的是频谱再生尽管对本信道的影响不大甚至毫无影响，但它将会干扰相邻信道。所以，功放线性化技术在移动通信系统中具有很重大的意义，它可以很好的解决频谱再生问题。同样，线性功放对于卫星通信系统的改善频谱泄露、减小信号传输失真也具有很重要的作用。对于射频大功率放大器结构的设计方法，国内国外各大通信公司在这方面都在着手进行研究与开发，并做不懈的努力。本文讨论的射频预失真放大系统的设计正是为更好的实现射频大功率放大器的线性化而进行研制和开发，特别是针对WCDMA中的应用。一方面目前WCDMA正在得到越来越广泛的应用，WCDMA基站中大功率放大器的设计是今后放大器设计的主流方向，其对线性化的高要求使得线性化技术的研究具有很大的价值，另一方面对于预失真线性化系统的实现情况的介绍在国内未见到具体报道，使得本论文的预失真放大系统的设计与实现具有独到和创新之处。北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现312系统的设计目标基本考虑放大系统的设计有以下基本考虑一、系统采用模块化设计射频预失真功率放大系统在设计过程中采用模块化设计，分别设计解调器、ADC和矢量调制器，这些模块正是我们需要研究和分析的内容。二、系统应具有通用性射频预失真放大系统能够提供良好的连接性和通用的数据传输接口，能够方便更改各个模块的硬件设计，适用于不同增益的放大器需求和不同种类的预失真算法实现需要。三、系统具有可用性射频预失真放大系统能够保证预失真算法能够得以良好的实现，该系统本身应该具有良好的性能，其各项指标应能够保证其与放大器和数字信号处理部分一起工作时能够流畅的传输和进行预失真矫正。四、系统应设计简单、使用方便本射频预失真放大系统尽量采用成熟的高集成度的芯片，并对外围电路进行简化设计，保证在完成系统功能的同时最大程度的简化电路。在设置输入输出端口的位置时，考虑了实际操作和连接的使用方便性。313系统的测试项目射频预失真放大系统中设计的主要模块有解调器、ADC和矢量调制器等，主要是对这几个模块的功能指标以及性能进行测试，另外还要进行系统的电源系统性能的测试，辅助完成这些测试的电路板有放大器板和数字信号处理板。具体可以描述为1对电源系统性能的测试对于系统中的各个电源芯片和各器件工作电压用万用表进行逐点测量，保证各个电源芯片工作正常，各器件工作电压在要求范围内。2对解调器性能的测试由数字信号处理板提供控制信号和时钟信号，用WCDMA信号发生器提供输入信号，解调器输出信号用示波器和频谱分析仪直接进行测试。3对ADC性能的测试由数字信号处理板提供控制信号和时钟信号，输入解调器的输出信号，ADC输出信号用示波器和频谱分析仪直接进行测试。16北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现4对矢量调制器性能的测试对DAC、乘法器的输入输出信号用示波器和频谱仪进行测量，对矢量调制器的输入输出信号用频谱分析仪进行测试。32射频预失真放大系统结构和功能321射频预失真放大系统体系结构根据射频预失真的理论，结合指标要求和实际情况，确定系统总体方案如下面图31所示。图31射频预失真放大系统结构框图框图中黑色方框表示各主要芯片功能模块，黑色方向箭头表示数据的传输方向，蓝色的箭头表示控制信号的传输，各黑色方框中的红色字体表示的是该功能部分所采用的器件，本系统通过射频预失真技术来实现，在功率放大器的输入输出两端分别耦合出放大前和放大后的信号，经解调器模块和模数转换器送入数字信号处理模块，之后DSP处理器比较两路信号的情况，算出失真函数，采用工作函数的算法，计算反函数，输出反函数系数，送至数模转换器，转换成模拟信号，与另一路的解调器输出信号通过乘法器模块相乘，生成幅度和相位调整信号，输入到矢量调制器，进行对放大器输入信号的预矫正。17北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现322系统主要技术指标射频预失真放大系统的详细技术指标如下所示工作频率范围2110MHZ一2170MHZ输出功率448DBM或478DBM输出额定功率时的ACPR指标工作频段2123GHZ插损TYP055DB隔离度TYP18DB输入电压驻波比TYP151输出电压驻波比TYP111幅度平衡TYP01DB相位平衡TYP41DEG由上可看出该器件有良好的插损特性和隔离度特性，其他性能也较佳，而且该芯片采用无铅引脚和小型SOT6封装，无需外围电路。图41是该器件的内部原理图和管脚示意图。柚细，A日柏图41PD2273内部原理图二、矢量调制器矢量调制器采用ANALOGDEVICES公司的AD8341RF模拟矢量调制器，19北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现AD8341失量调制器为单芯片RFIC，工作频率范围是15GHZ24GHZ，应用于移动通信基站的大功率放大器，用以调节RF载波幅度和相位。具备引脚兼容和功能兼容，并补充了增益和相位检测器，从而提供完整的测量和控制解决方案。与分立组件设计不同，AD8341在一个单芯片内同时提供增益和相位控制。该相位控制范围能提供连续360度调整范围，同时该幅度控制范围能提供大于30DB的调整范围。ADI表示，AD8341不仅在降低成本和缩小封装尺寸方面优于分立组件解决方案，透过一个具有230MHZ调制频宽简化的线性CARTESIAN接口，也能比分立组件解决方案进一步简化系统。”群妒蕾柚V嗽C略PILLSP嬉DOP图42AD8341内部原理图该芯片主要技术指标有输出三阶交调175DBM输出LDB压缩点85DBM输出噪声电平1505DBMHZ，独立于相位幅度控制范围45DB到345DB增益平坦度大于60MHZ带宽05DB群时延平坦度大于60MHZ带宽50PS该器件的射频输入端输入I、Q两路信号分别控制幅度和相位调制，这两路I、Q信号都是500MV直流耦合，差分输入。最大的调制带宽是230MHZ，该带宽可通过外加电容而减小，以满足控制线路噪声带宽的要求。I、Q接口特性调制带宽230MHZ二阶谐波失真41DBC三阶谐波失真47DBE推荐共模电平05V射频输入和输出端可以用单端或者差分信号，但是必须是交流耦合的，而且该器件的射频输入输出阻抗在整个工作频段内都是50Q。其DSOP管脚允许输出阶迅速下降以保护下一阶免于过驱动。AD8341的工作电压范围从475V到525V，最大电流125MA。AD8341是基带控制线性RF矢量调制器。图413是该器件简单模块图，RF北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现信号从左端传输至右端，基带控制信号位于上面和下面，RF输入后分为I、Q两部分，可变衰减独立控制RF输入的I、Q两部分。衰减后的输出通过加和后缓冲至输出端。擘、略LE曼均E0A，E竹4LL篮0JTPULL图43AD8341功能实现模块图通过控制加和前的I、Q相对值，可以实现连续的幅度和相位增益控制，考虑AD8341的矢量增益，如下图44所示，I、Q两路的衰减因子分别在X轴和Y轴上，用基带输入VBM和VBNO表示。一衫。J、系、一义，J吨一厶IIJ图44矢量增益图下图45是AD8341的外围电路设计原理图。C；图45AD8341的外围电路设计原理图21北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现三、衰减器衰减器模块在本射频预失真放大系统中主要用以调节功率放大器输出端经过耦合器后的信号的功率，使之与功率放大器输入端信号经功分器后耦合下来的信号有相同的功率，为之后的过程提供便利。采用SKYWORKS公司HIP3系列电压控制可变衰减器AVL33315，是专门为应用于中心频率为2140MHZ的UMTS基站而设计的宽动态范围低失真衰减器，工作于012V，衰减范围23DB，最大衰减时控制电流为16MA。该器件的内部原理基本框图如下图4_6所示图46AVL33315内部原理图AVL33315基本性能指标如下衰减范围18DB22DB带内插损15DB带内电压驻波比VSWR1543DBM三阶交调工作频段UMTS频段2110MHZ2170MHZAVL33315管脚分布和功能如下表4_1所示表41各管脚功能示意图TITRMINLIN乱TERM|NAINAM睡【P蚋1INOUTA2GNOA3LMOL，R日1GND日3GND白VNTMLC28NDC3VNLROL北京邮电大学硕士学位论文射频预失真功率放大系统设计与实现42模拟部分本射频预失真放大系统的模拟部分主要由解调器，晶振和乘法器等主要器件构成。主要实现射频耦合信号的解调处理以及矢量调制器的幅度和相位控制信号的生成。一、解调器本系统对于射频耦合下来的信号将做进一步的解调处理，采用MAXIM公司的MAX2391零中频接收器。MAX2391是一款高集成度的直接转换接收器芯片，提供完整的用在3GPPWCDMAFDD接收器的天线到基带解决方案，可以将WCDMA信号直接转换到基频，不需要用片外的IFSAW滤波器和外接RXLO产生和合成。工作频率为21102170MHZ，芯片速率384MCPS。MAX2391接收器IC的动态增益控制超过90DB，LNA输入的接收灵敏度112DB。每个接收器包括与片内输出匹配的低电流低噪音放大器删和两级增益控制。零正解调器有差分电路拓扑，以最小化LO向接收器的输入漏电。通道选择在接收器的基带部分用片内的低通滤波器来完成。AGC部分的增益控制范围超过50DB。IQ基带通道中的DC失调消除采用DC伺服回路完全在片内完成。为了在最短的时间内快速消除大的DC瞬时失调，通过优化DC失调消除电路的时间常数来得到较短的建立时间。MAX2391除了模拟输入AGC，包括用于PLL编程和配置不同接收器模式的3线串行总线。它们还包括SHDN引脚，用来全部关断器件。其除了有本家族特有的两个可编程20BIT寄存器配置寄存器CONFIG和控制寄存器OPI，外，还有两个附加的可编程20BIT寄存器主PLL除法寄存器I心M和参考PLL除法寄存器M佩。MAX2391采用高频SIGEBICMOS工艺制造。器件工作电压27V到33V，采